DE202013104990U1

DE202013104990U1 - Kühlkörper

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Publication number: DE202013104990U1
Application number: DE202013104990.5U
Authority: DE
Original assignee: AKG Thermotechnik International GmbH and Co KG
Current assignee: AKG Thermotechnik International GmbH and Co KG
Priority date: 2013-11-06
Filing date: 2013-11-06
Publication date: 2015-02-09
Anticipated expiration: 2023-11-07
Also published as: EP3113220A1; EP3113220B1; EP3261118A1; EP2871671A2; EP2871671A3; EP2871671B1

Abstract

Kühlkörper (2) für mindestens ein zu kühlendes Bauelement (1), insbesondere ein Halbleiterbauelement, aufweisend eine Grundplatte (3) mit einer Bauelementfläche (31), auf der das mindestens eine zu kühlende Bauelement (1) befestigbar ist, und einer umseitigen Kühlkörperfläche (32) sowie mehrere Kühlluftkanäle (6, 7) bildende Kühlrippen (4, 5), die mit jeweiligen ersten Enden (41, 51) an der Kühlkörperfläche (32) der Grundplatte (3) befestigt sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlrippen (4, 5) in Kühlluftströmungsrichtung (x) wenigstens drei ineinander übergehende Kühlluftkanalbereiche (43, 44, 45, 53, 54, 55) bilden, wobei in einem Kühllufteintrittsbereich (43, 53) nebeneinander angeordnete Kühlrippen (4, 5) teilflächig aneinander liegend zumindest der Grundplatte (3) nahe erste Kühlluftkanäle (6) mit einer Breite (b1) und einer Höhe (h1) ausbilden, wobei in einem sich anschließenden ersten Übergangsbereich (44, 54) die Kühlrippen (4, 5) so geformt sind, dass sich die Höhe (h) der Kühlluftkanäle (6, 7) vergrößert, während sich die Breite (b) der Kühlluftkanäle (6, 7) verkleinert, wobei in einem sich anschließenden Endbereich (45, 55), in dem eine maximale Kanalhöhe (h6max, h7max) und eine minimale Breite (bmin) der Kühlluftkanäle (6, 7) erreicht ist, die Kühlrippen (4, 5) beidseitig vollflächig von Kühlluft umströmbar sind.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Kühlkörper für mindestens ein zu kühlendes Bauelement, insbesondere ein Halbleiterbauelement, gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie einen Kühlkörper für mindestens ein zu kühlendes Bauelement, insbesondere ein Halbleiterbauelement, gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 14.
Gattungsgemäße Kühlkörper zur Kühlung von insbesondere elektronischen Hochleistungsbauteilen wie beispielsweise IGBT-Baugruppen für Stromrichter, beispielsweise bekannt aus der DE 10 2006 019 376 A1 , der DE 43 22 647 A1 oder der DE 93 04 128 U1 dienen dazu, die von diesen Bauelementen erzeugte Wärme abzuleiten und dadurch die Bauelemente zu kühlen.
Die Kühlkörper bestehen dabei in der Regel aus einer Grundplatte, auf der eines oder mehrere dieser Bauteile flächig aufgebracht sind, und einer dieser Bauelementfläche abgewandten Kühlkörperfläche, von der sich Kühlluftkanäle bildende Kühlrippen weg erstrecken. Diese Kühlrippen sind dabei in einer Variante in Nuten einer beispielsweise als Strangpressprofil ausgebildeten Grundplatte eingelassen, so dass die von den Bauteilen erzeugte Wärme durch die Grundplatte in die Kühlrippen geleitet wird und die Kühlrippen ihrerseits unter Ausbildung der oben genannten Kühlluftkanäle bei Durchleitung von Kühlluft durch den Kühlkörper diese Wärme an die durchgeleitete Kühlluft abgeben.
Zur Erzielung einer möglichst hohen Leistung dieser Kühlkörper, sprich einer möglichst effektiven Wärmeabfuhr, ist zum einen eine hohe Rippendichte mit möglichst dünnwandigen Rippenkörper erwünscht, zum zweiten sollte der Druckverlust der Kühlluft beim Durchleiten durch den Kühlkörper möglichst gering sein. Schließlich sollte die Kühlleistung des Kühlkörpers in Kühlluft-Strömungsrichtung durch den Kühlkörper möglichst konstant sein, um auch bei beispielsweise in Kühlluftströmungsrichtung hintereinander gebauten zu kühlenden Bauteilen auch die hinteren Bauteile noch hinreichend kühlen zu können.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Kühlkörper bereitzustellen, mit dem die oben genannten Probleme möglichst effektiv und kostengünstig gelöst werden.
Diese Aufgabe wird durch einen Kühlkörper mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie durch einen Kühlkörper mit den Merkmalen des Anspruchs 14 gelöst.
Der mit Anspruch 1 beanspruchte Kühlkörper weist eine Grundplatte mit Längsnuten auf, in die mehrere Kühlluftkanäle bildende Kühlrippen eingesetzt sind. Die Kühlrippen sind dabei derart geformt, dass sie in Kühlluft-Strömungsrichtung wenigstens drei ineinander übergehende Kühlluftkanalbereiche bilden. Dabei bilden in einem Kühllufteintrittsbereich nebeneinander angeordnete Kühlrippen teilflächig aneinander liegend zumindest der Grundplatte nahe erste Kühlluftkanäle mit einer Breite b und einer Höhe h aus. In einem sich an diesen anschließenden Übergangsbereich sind die Kühlrippen so geformt, dass sich die Höhe der Kühlluftkanäle vergrößert, während sich die Breite der Kühlluftkanäle verkleinert. Dieser Übergangsbereich mündet dann in einen Endbereich, in dem eine maximale Kanalhöhe und eine minimale Breite der Kühlluftkanäle erreicht ist, wobei in diesem Bereich die Kühlrippen beidseitig und vollflächig von der durch den Kühlkörper durchgeleiteten Kühlluft umströmbar sind.
Durch die derart geformten Kühlrippen ist damit ermöglicht, dass die nahe an der Grundplatte vorbeigeführte Kühlluft im Lufteintrittsbereich, die aufgrund ihrer Nähe zur Grundplatte bereits stärker erwärmt wird als die weiter entfernt von der Grundplatte durch den Kühlkörper geführte Kühlluft, sich in Kühlluft-Strömungsrichtung weiter hinten nach Durchlauf durch den Übergangsbereich in den Endbereich senkrecht zur Grundplattenfläche weiter verteilt und die Kühlluft, die anfänglich weiter entfernt von der Grundplatte in den Kühlkörper eintritt, bei Erreichen des Endbereichs noch kühler ist als die in der Grundplatte nahen ersten Kühlluftkanälen, so dass dadurch auch in hinteren Bereichen des Kühlkörpers (betrachtet in Kühlluftströmungsrichtung) vergleichsweise kühlere Luft noch nahe der Grundplatte entlanggeführt werden kann und damit zu einer möglichst konstanten Leistung über die gesamte Länge des Kühlkörpers in Kühlluft-Strömungsrichtung beiträgt.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsvariante der Erfindung sind die Kühlrippen im Kühlluft-Eintrittsbereich so geformt, dass sie neben den der Grundplatte nahe ersten Kühlluftkanälen auch der Grundplatte ferne zweite Kühlluftkanäle bilden.
Denkbar ist auch, die Kühlrippen im Kühlluft-Eintrittsbereich so zu formen, dass die Kühlrippenwände, die alternativ die zweiten Kühlluftkanäle bilden, weggeschnitten sind und so ein einziger der Grundplatte ferner Kühlluftkanal im Kühlkörper gebildet ist, was den Druckverlust im Kühlkörper deutlich reduziert.
Im ersten Fall sind die Kühlrippen gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsvariante im Kühlluft-Eintrittsbereich so geformt, dass die Kühlluftkanäle zwei senkrecht zur Kühlkörperfläche übereinander liegende Kühlluftkanal-Etagen bilden, wobei die durch die Kühlrippen gebildeten Kühlluftkanäle insbesondere gleiche Breiten und Höhen aufweisen. Dadurch ist ermöglicht, dass gleichen Mengen an Kühlluft zunächst im Kühlluft-Eintrittsbereich stärker bzw. schwächer erwärmt werden, so dass im hinteren Endbereich noch geringer erwärmte Kühlluft nahe der Grundplatte vorbeigeführt werden kann.
Zur Erzielung eines möglichst geringen Druckverlustes beim Durchströmen der Kühlluft durch die Kühlluftkanäle ist gemäß einer bevorzugten Ausführungsvariante die von der Kühlluft durchströmbare Querschnittsfläche der von den Kühlrippen gebildeten Kühlluftkanäle in allen Kühlluftkanalbereichen gleich oder nahezu gleich. Die bei veränderter Geometrie gleich bleibende Querschnittsfläche sorgt für eine sanfte Umlenkung der Kühlluft in den Kühlluftkanälen und damit für einen sehr geringen Druckverlust.
Die Kühlrippen sind gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsvariante in Längsnuten der Kühlkörperfläche der Grundplatte verklebt oder verlötet und sorgen so für einen hinreichenden Wärmeaustausch zwischen der Grundplatte und den Kühlrippen.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsvariante bilden die Kühlrippen in Kühlluft-Strömungsrichtung fünf ineinander übergehende Kühlluftkanalbereiche, wobei sich an einen Endbereich ein zweiter Übergangsbereich anschließt, in dem die Kühlrippen so geformt sind, dass sich die Höhe der Kühlluftkanäle verkleinert, während sich die Breite der Kühlluftkanäle vergrößert, an den sich ein dem Kühlluft-Eintrittsbereich entsprechend aufgebauter Etagenbereich anschließt, wobei die Kühlrippen im zweiten Übergangsbereich so geformt sind, dass die im Kühlluft-Eintrittsbereich der Grundplatte nahen Kühlluftkanäle im Etagenbereich fern der Grundplatte verlaufen und umgekehrt.
Dadurch ist ermöglicht, dass im in Kühlluftströmungsrichtung vorderen Bereich des Kühlkörpers zunächst wenig erwärmte Kühlluft im hinteren Bereich nahe an der Grundplatte vorbeigeführt wird und damit die Kühlleistung im hinteren Bereich des Kühlkörpers verbessert wird.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsvariante weist der Kühlkörper eine zweite Grundplatte auf, wobei die zweite Grundplatte und die erste Grundplatte die Kühlrippen zwischen sich aufnehmen und die zweite Grundplatte erlaubt dabei die Aufnahme weiterer zu kühlender Bauelemente.
Der mit Anspruch 14 beanspruchte alternative Aufbau eines Kühlkörpers besteht im Wesentlichen aus einer Vielzahl nebeneinander angeordneter, Kühlluftkanäle bildender Kühlrippen, die mit jeweiligen ersten Enden eine Grundplatte bilden, wobei zumindest einige der Kühlrippen ein gegenüber einem die Kühlluftkanäle bildenden Bereich verdicktes erstes Ende aufweisen, wobei ein Teil der Kühlrippen als Strangpressprofil und die übrigen Kühlrippen als Trennbleche ausgebildet sind, wobei die Strangpressprofile und die Trennbleche hintereinander verlötet sind.
Mit diesem Aufbau eines Kühlkörpers ist ein kostengünstig herzustellender Kühlkörper bereitgestellt, bei dem die aus den verdickten Enden der Kühlrippen zusammengesetzten Grundplatten durch die Verlötung eine gut wärmeleitende Grundplatte bilden. Ein solcher Kühlkörper lässt sich außerdem in einfacher und kostengünstiger Weise zu einem Block zusammenfügen und löten, wodurch der Kühlkörper in seinen Abmessungen auch sehr variabel gestaltet werden kann, da die Herstellung eines Kühlkörpers größerer Länge oder Breite in einfacher Weise dadurch realisiert werden kann, dass mehr oder weniger Strangpressrippen und Trennbleche zusammengefügt werden. Bei Strangpress-Kühlkörpern mit Strangpressgrundplatten müssen hingegen meist Werkzeuge mit der gewünschten Breite gefertigt werden, was mit größeren Herstellungskosten einhergeht.
Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsvariante eines solchen Kühlkörpers sind an den als Strangpressprofil ausgebildeten Kühlrippen in Kühlluft-Strömungsrichtung sich erstreckende Stege im die Kühlluftkanäle bildenden Bereich angeformt, die an jeweiligen Seitenflächen der als Trennbleche ausgebildeten Kühlrippen anliegen und so einen guten Wärmeaustausch zwischen den als Strangpressprofil ausgebildeten Kühlrippen und den als Trennbleche ausgebildeten Kühlrippen ermöglichen.
Diese Stege sind dabei bevorzugt beidseitig des die Kühlluftkanäle bildenden Bereiches angeformt.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsvariante des erfindungsgemäßen Kühlkörpers sind die Stege um einen halben Abstand, in dem die Stege parallel zueinander auf einer Seite des Strangpressprofils angeformt sind, zueinander versetzt wechselseitig an den als Strangpressprofil ausgebildeten Kühlrippen angeformt.
Besonders bevorzugt ist die Länge der Stege senkrecht zur Kühlluft-Strömungsrichtung größer als die Hälfte der Differenz der Dicke des verdickten Endes der als Strangpressprofil ausgebildeten Kühlrippen und der Dicke des Kühlluftkanäle bildenden Bereichs der als Strangpressprofil ausgebildeten Kühlrippen, so dass bei Zusammensetzen des Kühlkörpers die Trennbleche geringfügig verformt werden und somit auch bei Fertigungstoleranzen der Strangpressprofile und der Abstandsrippen eine mechanische Anlage der Stege zu den Trennblechen gewährleistet ist und damit eine wärmeleitende Verbindung erzeugt werden kann.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsvariante dieses Kühlkörpers sind die Kühlluftkanäle bildenden Bereiche der als Trennbleche ausgebildeten Kühlrippen im Kühlluft-Eintrittsbereich des Kühlkörpers zumindest teilweise weggeschnitten, was, wie bereits oben beschrieben, eine vorteilhaften Reduzierung des Druckverlusts der Kühlluft beim Durchströmen des Kühlkörpers ermöglicht.
Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
1 eine perspektivische Ansicht einer Ausführungsvariante eines erfindungsgemäßen Kühlkörpers mit auf einer Grundplatte des Kühlkörpers aufgebrachten zu kühlenden Bauteilen,
2 eine perspektivische Ansicht eines Ausschnitts des Kühlkörpers zur Darstellung des prinzipiellen Aufbaus, mit einer Grundplatte mit Nuten und darin einsteckbare Kühlrippen,
3a) eine perspektivische Ansicht des Kühlkörpers aus 1 zur Darstellung mehrerer in den 3b), c) und d) gezeigten Schnitten durch den Kühlkörper, wobei
3b) eine perspektivische Ansicht zur Darstellung eines Kühlluft-Eintrittsbereichs entlang einer mit I in 3a) bezeichneten Schnittebene zeigt,
3c) eine perspektivische Ansicht des Kühlkörpers entlang einer mit II in 3a) bezeichneten Schnittebene,
3d) eine Schnittansicht durch eine mit III in 3a) dargestellte Schnittebene, darstellend den Endbereich,
4 eine perspektivische Ansicht einer alternativen Ausführungsvariante des Kühlkörpers aus 1 mit zwei Grundplatten,
5 eine perspektivische Ansicht einer weiteren Ausführungsvariante eines Kühlkörpers mit insgesamt fünf Kühlluftkanalbereichen,
6 eine schematische Darstellung einer nochmals weiteren Ausführungsvariante des Kühlkörpers, bei dem die oberen Kühlluftkanäle im Kühlluft-Eintrittsbereich weggeschnitten sind,
7 eine schematische Darstellung einer nochmals weiteren Ausführungsvariante des Kühlkörpers mit zwei Grundplatten, mit im Kühlluft-Eintrittsbereich jeweils ersten den Grundplatten nahen Kühlluftkanäle und dazwischen angeordneten zweiten Kühlluftkanälen,
8 eine schematische Teilexplosionsdarstellung einer alternativen Ausführungsvariante eines Kühlkörpers, bestehend im Wesentlichen aus einem Stapel nebeneinander angeordneter als Trennbleche bzw. Strangpressprofile ausgebildeten Kühlrippen,
9 eine perspektivische Teilexplosionsdarstellung einer Variante des in 7 gezeigten Kühlkörpers mit teilweise weggeschnittenem Bereich des Trennbleches,
10 eine schematische Teilexplosionsdarstellung einer weiteren Ausführungsvariante des Kühlkörpers aus 7 mit einem oberen und einem unteren verdickten Bereich der als Strangpressprofil ausgebildeten Kühlrippen und
11 eine perspektivische Ansicht eines Ausschnitts des Kühlkörpers aus 7 mit an den Wänden angeformten Stegen einer Länge, bei der im zusammengesetzten Zustand die Trennbleche leicht verformt werden.
In der nachfolgenden Figurenbeschreibung beziehen sich Begriffe wie oben, unten, links, rechts, vorne, hinten usw. ausschließlich auf die in den jeweiligen Figuren ausgewählte beispielhafte Darstellung und Position des Kühlkörpers, der Grundplatte, Kühlrippen, Kühlluftkanäle, Stege und dergleichen. Diese Begriffe sind nicht einschränkend zu verstehen, d.h., durch verschiedene Arbeitsstellungen oder die spiegelsymmetrische Auslegung oder dergleichen können sich diese Bezüge ändern.
In der 1 ist mit dem Bezugszeichen 2 insgesamt eine Ausführungsvariante eines erfindungsgemäßen Kühlkörpers bezeichnet. Der Kühlkörper 2 besteht dabei im Wesentlichen aus einer Grundplatte 3 mit einer Bauelementfläche 31, auf der eins oder mehrere zu kühlende Bauelemente 1, beispielsweise in der Gestalt von zu kühlenden Elektronikbauteilen wie beispielsweise IGBT-Baugruppen eines Stromrichters, befestigbar sind, sowie einer umseitigen Kühlkörperfläche 32, die mit Längsnuten 33 versehen ist sowie eine Vielzahl von bevorzugt als Profilbleche ausgebildeten Kühlrippen 4, 5, die mit jeweiligen ersten Enden 41, 51 in die Längsnuten 33 der Kühlkörperfläche 32 der Grundplatte 3 eingesetzt sind.
Die Kühlrippen 4, 5 bilden dabei im verbauten Zustand eine Vielzahl von Kühlluftkanälen 6, 7, durch die Kühlluft in Kühlluftströmungsrichtung x durch den Kühlkörper 2 strömen kann, um die durch die Abwärme der Bauelemente 1 erwärmte Grundplatte 3 und die an diesen befestigten Kühlrippen 4, 5 zu kühlen.
Wie in den 1, 2 und 3a) bis 3d) gezeigt ist, sind die Kühlrippen 4, 5 dabei in Kühlluft-Strömungsrichtung x in wenigstens drei ineinander übergehende Kühlluftkanalbereiche 43, 44, 45, 53, 54, 55 unterteilt, wobei die Kühlrippen 4, 5 im in Kühlluft-Strömungsrichtung x zu Beginn durchströmten Kühlluft-Eintrittsbereich 43, 53 derart geformt, dass die Kühlrippen 4, 5 teilflächig aneinander liegend zumindest der Grundplatte 3 nahe erste Kühlluftkanäle 6 mit einer Breite b1 und einer Höhe h1 ausbilden.
Dabei ist es denkbar, dass die Kühlrippen 4, 5, wie es in 6 gezeigt ist, im Kühlluft-Eintrittsbereich in vertikaler Richtung z oberhalb des ersten Kühlluftkanals 6 enden und im sich daran anschließenden Übergangsbereich 44, 54 bevorzugt kontinuierlich höher gebaut sind, bis eine Maximalhöhe h_max im Endbereich 45, 55 erreicht ist.
In der in den 1–5 gezeigten Variante sind die Kühlrippen 4, 5 von gleichbleibender vertikaler Höhe h in Z-Richtung, sprich parallel zur Normalen der Bauelementfläche 31, und dabei derart geformt, dass die Kühlrippen 4, 5 im Kühlluft-Eintrittsbereich 43, 53 zusätzlich der Grundplatte 3 ferne zweite Kühlluftkanäle 7 bilden. Die Kühlluftkanälen 6, 7 sind in diesem Kühlluft-Eintrittsbereich 43, 53 in Form von zwei senkrecht zur Kühlkörperfläche 32 übereinander liegenden Kühlluftkanaletagen angeordnet, wobei die einzelnen Kühlluftkanäle 6, 7 vorzugsweise gleiche Breiten b und Höhen h aufweisen.
Denkbar ist auch, je nach geforderten Parametern, die Abmessungen der Kühlluftkanäle 6, 7 unterschiedlich zu gestalten, insbesondere die der Grundplatte 3 nahen ersten Kühlluftkanäle 6 höher auszubilden als die der Grundplatte 3 fernen zweiten Kühlluftkanäle 7.
Im sich an den Kühlluft-Eintrittsbereich 43, 53 anschließenden Übergangsbereich 44, 54 sind die Kühlrippen 4, 5 so geformt, dass sich die Höhe h der Kühlluftkanäle 6, 7, bevorzugt kontinuierlich, vergrößert, während sich die Breite b der Kühlluftkanäle 6, 7, bevorzugt kontinuierlich, verkleinert, bis eine maximale Kanalhöhe h_6max und h_7max und eine minimale Breite b_min erreicht ist, welche dann den sich an den Übergangsbereich 44, 54 anschließenden Endbereich 45, 55 definiert.
Während durch das teilweise Anliegen der Kühlrippen 4, 5 im Kühlluft-Eintrittsbereich 43, 53 die Kühlrippen 4, 5 jeweils nur einseitig von der Kühlluft angeströmt werden, ist die von Kühlluft anströmbare Fläche der Kühlrippen 4, 5 im Endbereich 45, 55 etwa verdoppelt, da die Kühlrippen 4, 5 in diesem Bereich nicht mehr aneinander liegen und dadurch beidseitig und vollflächig von Kühlluft umströmbar sind, was eine hohe Wärmeübertragung ermöglicht.
Die Formänderung der Kühlrippen 4, 5 zwischen den einzelnen Kühlluftkanalbereichen erfolgt dabei bevorzugt derart, dass die von der Kühlluft durchströmbare Querschnittsfläche der von den Kühlrippen 4, 5 gebildeten Kühlluftkanäle 6, 7 trotz veränderter Geometrie gleich bleibt. Dadurch wird eine sanfte Umlenkung des Kühlluftstroms in den Kühlluftkanälen 6, 7 bewirkt, die den Druckverlust des Kühlluftstroms sehr klein hält.
Wie außerdem in 3d) gut zu erkennen ist, sind die Kühlrippen 4, 5 im Endbereich 45, 55 im Bereich zwischen ihren jeweiligen Enden 41, 42 und 51, 52 als parallel nebeneinander stehende ebene Platten ausgebildet, während sie im Kühlluft-Eintrittsbereich 43, 53, gezeigt in 3b) in diesem Bereich zur Ausbildung von Teilwandungen für mehrere übereinander angeordnete Kühlluftkanäle 6, 7 etwa S-förmig verbogen sind.
Die Breite der Längsnuten 33 der Grundplatte 3 ist so ausgelegt, dass jeweils die ersten Enden 41, 51 zweier Kühlrippen 4, 5 gemeinsam in eine solche Längsnut 33 einsetzbar sind. Die Kühlrippen 4, 5 sind dabei bevorzugt in diesen Längsnuten 33 der Kühlkörperfläche 32 der Grundplatte 3 verklebt oder verlötet, insbesondere durch induktives Erwärmen.
Denkbar ist auch der Einsatz einer Grundplatte 3 ohne Längsnuten 33 in der Kühlkörperfläche 32, bei der die Kühlrippen 4, 5 direkt auf die Kühlkörperfläche 32 aufgelötet, insbesondere induktionsverlötet, oder mithilfe eines wärmeleitfähigen Klebers verklebt werden. Wichtig ist eine gute Wärmeanbindung der Grundplatte 3 an die Kühlrippen 4, 5, um eine zum Abtransport der durch die zu kühlenden Bauteile 1 erzeugte Abwärme in hinreichendem Maße zu gewährleisten.
Wie in 4 gezeigt, ist es ebenso denkbar, die Kühlrippen 4, 5 zwischen zwei die Kühlrippen 4, 5 einschließenden Grundplatten 3, 8 aufzunehmen, wobei die zweite Grundplatte 8 entsprechend der oben beschriebenen Grundplatte 3 ausgebildet ist, mit einer Bauelementfläche 81 zur Aufbringung mindestens eines zu kühlenden Bauelements 1 und einer umseitigen Kühlkörperfläche 82, welche ebenfalls mit Längsnuten 83 versehen ist, zur Aufnahme jeweiliger zweiter Enden 42, 52 der Kühlrippen 4, 5.
Bei den in den 5 und 6 gezeigten Ausführungsvarianten eines erfindungsgemäßen Kühlkörpers 2 sind die Kühlrippen 4, 5 in Kühlluftströmungsrichtung x so geformt, dass sie insgesamt fünf ineinander übergehende Kühlluftkanalbereiche 43, 44, 45, 46, 47, 53, 54, 55, 56, 57 bilden, wobei die ersten drei Bereiche wie oben beschrieben ausgebildet sind und sich quasi spiegelbildlich an einen Endbereich 45, 55 der Kühlrippen 4, 5 ein zweiter Übergangsbereich 46, 56 anschließt, in dem die Kühlrippen 4, 5 so geformt sind, dass sich die Höhe h der Kühlluftkanäle 6, 7 verkleinert, während sich die Breite b der Kühlluftkanäle 6, 7 vergrößert.
An diesen zweiten Übergangsbereich 46, 56 schließt sich noch ein dem Kühlluft-Eintrittsbereich 43, 53 entsprechend aufgebauter Etagenbereich 47, 57 an, wobei die Kühlrippen 4, 5 in diesem zweiten Übergangsbereich 46, 56 so geformt sind, dass sich die im Kühlluft-Eintrittsbereich 43, 53 der Grundplatte 3 nahen Kühlluftkanäle 6 im Etagenbereich 47, 57 fern der Grundplatte 3 verlaufen. Entsprechend sind im zweiten Übergangsbereich 46, 56 die Kühlluftkanäle 7, die im Kühlluft-Eintrittsbereich 43, 53 entfernt von der Grundplatte 3 verlaufen, im Etagenbereich 47, 57 nunmehr nah der Grundplatte 3.
Dadurch wird erzwungen, dass die im Kühlluft-Eintrittsbereich 43, 53 bereits stärker erwärmte Kühlluft, die durch die Kühlluftkanäle 6 strömt, im Etagenbereich nach oben, sprich weg von der Grundplatte 3 abgeführt wird und die relativ dazu kühlere Kühlluft aus den Kühlluftkanälen 7 im Etagenbereich 47, 57 an der Grundplatte 3 entlang geführt wird.
Die Wegnahme der im Kühlluft-Eintrittsbereich 43, 53 oberen Kühlluftkanäle 7, wie es in 6 gezeigt ist, wurde bereits weiter oben beschrieben.
Bei der in 7 gezeigten Ausführungsvariante des Kühlkörpers sind die Kühlrippen 4, 5, wie bereits in der in 4 gezeigten Ausführungsvariante, zwischen zwei die Kühlrippen 4, 5 einschließenden Grundplatten 3, 8 aufgenommen, wobei die die Kühlrippen 4, 5 hier vorzugsweise derart ausgebildet sind, dass sie im Kühlluft-Eintrittsbereich 43, 53 drei Kühlluftkanaletagen bilden, und zwar jeweilige den Grundplatte 3, 8 nahe erste Kühlluftkanäle 6 und zwischen den ersten Kühlluftkanälen 6 angeordnete zweite Kühlluftkanäle 7. Die Höhe h der zweiten Kühlluftkanäle 7 kann dabei, wie in 7 gezeigt, etwa die doppelte Höhe der den Grundplatte 3, 8 nahen ersten Kühlluftkanäle 6 betragen. Denkbar sind aber auch andere Höhen- und/oder Breitenverhältnisse.
Möglich sind auch weitere Kombinationen der in den 1 bis 7 dargestellten prinzipiellen Bauweisen. So ist es auch denkbar, bei der in 7 gezeigten Ausführungsvariante den Bereich der zweiten Kühlluftkanäle 7 entsprechend der in 6 gezeigten und beschriebenen Ausführungsvariante und/oder die Kühlrippen 4, 5 in Kühlluftströmungsrichtung x entsprechend der in 5 gezeigten und beschriebenen Ausführungsvariante mit insgesamt fünf ineinander übergehende Kühlluftkanalbereiche 43, 44, 45, 46, 47, 53, 54, 55, 56, 57 zu gestalten.
Eine dem gleichen Zweck dienende alternative Bauweise eines erfindungsgemäßen Kühlkörpers 100 ist in den 8–11 dargestellt. Der Kühlkörper 100 besteht bei dieser Ausführungsvariante im Wesentlichen aus einer Vielzahl nebeneinander angeordneten Kühlluftkanäle 140 bildenden Kühlrippen 110, 130, die mit jeweiligen ersten Enden 111, 131 eine Grundplatte bilden, wobei zumindest einige der Kühlrippen 110, 130 ein gegenüber einem die Kühlluftkanäle 140 bildenden Bereiche 112 verdicktes sich in Kühlluftströmungsrichtung x erstreckendes erstes Ende 111 oder Randbereich aufweisen. Die Kühlrippen 110, 130 sind dabei teilweise als Strangpressprofile und teilweise als Trennbleche ausgebildet, die miteinander verlötet sind. Die als Trennbleche ausgebildeten Kühlrippen 130 sind dabei bevorzugt als beidseitig lotplattierte Bleche ausgebildet. Die die Grundplatte bildenden verdickten Enden 111 sind dabei an den als Strangpressprofil ausgebildeten Kühlrippen 110 angeformt.
Wie des Weiteren in den 8–11 erkennbar ist, sind an den als Strangpressprofil ausgebildeten Kühlrippen 110 in Kühlluft-Strömungsrichtung x sich erstreckende Stege 113, 114 im die Kühlluftkanäle 140 bildenden Bereich 112 der Kühlrippen 110 angeformt, die an jeweiligen Seitenflächen der als Trennbleche ausgebildeten Kühlrippen 130 anliegen, so dass die als Strangpressprofile ausgebildeten Kühlrippen 110 im Bereich der Stege 113, 114 ebenfalls mit dem als Trennbleche ausgebildeten Kühlrippen 130 verlötet sind.
Diese Stege 113, 114 sind dabei bevorzugt beidseits des die Kühlluftkanäle 140 bildenden Bereiches 112 der als Strangpressprofil ausgebildeten Kühlrippen 110 vorgesehen und dienen dabei neben der Wärmeübertragung zusätzlich dazu, gleichmäßige Abstände zwischen den einzelnen Kühlrippen 110, 130 zu gewährleisten.
Um ein zuverlässiges Verlöten der Stege 113, 114 mit den als Trennblechen ausgebildeten Kühlrippen 130 zu gewährleisten, sind bevorzugt mehrere Stege 113, 114 vertikal in einem Abstand a voneinander beabstandet an den Seitenflächen der Kühlrippen 110 angeformt. Zum Ausgleich von baubedingten Toleranzen sind die Stege 113, 114 um einen halben Abstand a versetzt zueinander wechselseitig an den Seitenflächen der Kühlrippen 110 angeformt.
Die Länge l₁₁₃, l₁₁₄ dieser Stege senkrecht zur Kühlluft-Strömungsrichtung x in Richtung der Breite y des Kühlkörpers 100 ist dabei bevorzugt größer als die halben Differenz der Dicke d₁₁₁ des verdickten Endes 111 der als Strangpressprofil ausgebildeten Kühlrippen 110 und der Dicke d₁₁₂ des Kühlluftkanäle 140 bildenden Bereiches 112 der als Strangpressprofil ausgebildeten Kühlrippen 110. Dadurch werden beim Zusammenbau des Kühlkörpers 100 die als Trennbleche 130 ausgebildeten Kühlrippen 130 geringfügig verformt, jedoch wird dadurch sichergestellt, dass auch bei Toleranzen bei der Herstellung der Strangpressprofile in jedem Fall die Stege an den Trennblechen anliegen und somit eine Lötverbindung erzeugbar ist.
Bei der in 9 gezeigten Ausführungsvariante des erfindungsgemäßen Kühlkörpers ist in einem vorderer Teil der als Trennbleche ausgebildeten Kühlrippen 130 im die Kühlluftkanäle 140 bildenden Bereich 132 ein Teilstück weggeschnitten und sorgt so für eine Verringerung des Druckverlustes des Kühlkörpers 100, ohne die Kühlleistung des Kühlkörpers 100 wesentlich zu schwächen. Dabei können je nach Anforderung an den Druckverlust bzw. Wärmeübertragungsleistung als Trennbleche ausgebildeten Kühlrippen 130 in Kühlluft-Strömungsrichtung x unterschiedlich weit ausgeschnitten sein und/oder ausgeschnittene und nicht ausgeschnittene Trennbleche alternierend angeordnet sein.
Bei der in 10 gezeigten Ausführungsvariante des Kühlkörpers 100 sind sowohl das untere Ende der als Strangpressprofile ausgebildeten Kühlrippen 110 als auch das obere Ende 115 verdickt ausgebildet, so dass mit derart ausgebildeten Kühlrippen 110, 130 ein Kühlkörper 100 mit einer oberen und einer unteren Grundplatte herstellbar ist.
Vorteilhaft bei den in den 8–11 gezeigten Kühlkörpern 100 ist, dass die Grundplatte bzw. Grundplatten aus stoffschlüssigen Verbindungen zwischen den einzelnen Kühlrippen 110, 130 zusammengesetzt sind, welche für eine sehr gute Wärmeübertragung sorgen und mechanisch sehr robust sind.
Bei der Herstellung der in 9 gezeigten Ausführungsvariante des Kühlkörpers 100 ist es außerdem vorteilhaft, dass die bei dieser Variante verbauten als Trennbleche ausgebildeten Kühlrippen 130 durch einfaches Ausstanzen eines gewünschten Bereichs der Trennbleche sehr kostengünstig herstellbar ist.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102006019376 A1 [0002]
DE 4322647 A1 [0002]
DE 9304128 U1 [0002]

Claims

Kühlkörper (2) für mindestens ein zu kühlendes Bauelement (1), insbesondere ein Halbleiterbauelement, aufweisend eine Grundplatte (3) mit einer Bauelementfläche (31), auf der das mindestens eine zu kühlende Bauelement (1) befestigbar ist, und einer umseitigen Kühlkörperfläche (32) sowie mehrere Kühlluftkanäle (6, 7) bildende Kühlrippen (4, 5), die mit jeweiligen ersten Enden (41, 51) an der Kühlkörperfläche (32) der Grundplatte (3) befestigt sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlrippen (4, 5) in Kühlluftströmungsrichtung (x) wenigstens drei ineinander übergehende Kühlluftkanalbereiche (43, 44, 45, 53, 54, 55) bilden, wobei in einem Kühllufteintrittsbereich (43, 53) nebeneinander angeordnete Kühlrippen (4, 5) teilflächig aneinander liegend zumindest der Grundplatte (3) nahe erste Kühlluftkanäle (6) mit einer Breite (b₁) und einer Höhe (h₁) ausbilden, wobei in einem sich anschließenden ersten Übergangsbereich (44, 54) die Kühlrippen (4, 5) so geformt sind, dass sich die Höhe (h) der Kühlluftkanäle (6, 7) vergrößert, während sich die Breite (b) der Kühlluftkanäle (6, 7) verkleinert, wobei in einem sich anschließenden Endbereich (45, 55), in dem eine maximale Kanalhöhe (h_6max, h_7max) und eine minimale Breite (b_min) der Kühlluftkanäle (6, 7) erreicht ist, die Kühlrippen (4, 5) beidseitig vollflächig von Kühlluft umströmbar sind.
Kühlkörper (2) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlrippen (4, 5) im Kühllufteintrittsbereich (43, 53) der Grundplatte (3) ferne zweite Kühlluftkanäle (7) bilden.
Kühlkörper (2) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlrippen (4, 5) im Kühllufteintrittsbereich (43, 53) so geformt sind, dass die Kühlluftkanäle (6, 7) zwei senkrecht zur Kühlkörperfläche (32) übereinander liegende Kühlluftkanaletagen bilden.
Kühlkörper (2) nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlluftkanäle (6, 7) im Kühllufteintrittsbereich (43, 53) gleiche Breiten (b) und Höhen (h) aufweisen.
Kühlkörper (2) nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlluftkanäle (6, 7) im Kühllufteintrittsbereich (43, 53) voneinander verschiedene Breiten (b) und/oder Höhen (h) aufweisen.
Kühlkörper (2) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlrippen (4, 5) im Endbereich (45, 55) zwischen ihren Enden (41, 42, 51, 52) als parallel nebeneinander stehende ebene Platten ausgebildet sind.
Kühlkörper (2) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die von der Kühlluft durchströmbare Querschnittsfläche der von den Kühlrippen (4, 5) gebildeten Kühlluftkanäle (6, 7) in allen Kühlluftkanalbereichen gleich oder nahezu gleich ist.
Kühlkörper (2) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die der Kühlkörperfläche (32) der Grundplatte (3) in Kühlluftströmungsrichtung (x) ausgerichtete Längsnuten (33) aufweist.
Kühlkörper (2) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass jeweils zwei der Kühlrippen (4, 5) nebeneinander in eine der Längsnuten (33) der Kühlkörperfläche (32) der Grundplatte (3) einsetzbar sind.
Kühlkörper (2) nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlrippen (4, 5) in den Längsnuten (33) der Kühlkörperfläche (32) der Grundplatte (3) verklebt oder verlötet sind.
Kühlkörper (2) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlrippen (4, 5) in Kühlluftströmungsrichtung (x) fünf ineinander übergehende Kühlluftkanalbereiche (43, 44, 45, 46, 47, 53, 54, 55, 56, 57) bilden, wobei sich an einen Endbereich (45, 55) ein zweiter Übergangsbereich (46, 56) anschließt, in dem die Kühlrippen (4, 5) so geformt sind, dass sich die Höhe (h) der Kühlluftkanäle (6, 7) verkleinert, während sich die Breite (b) der Kühlluftkanäle (6, 7) vergrößert, an den sich ein dem Kühllufteintrittsbereich (43, 53) entsprechend aufgebauter Etagenbereich (47, 57) anschließt, wobei die Kühlrippen (4, 5) im zweiten Übergangsbereich (46, 56) so geformt sind, dass die im Kühllufteintrittsbereich (43, 53) der Grundplatte (3) nahen Kühlluftkanäle (6) im Etagenbereich (47, 57) fern der Grundplatte (3) verlaufen.
Kühlkörper (2) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Höhe (h) und/oder Breite (b) der Kühlluftkanäle (6, 7) im ersten und/oder zweiten Übergangsbereich (44, 54, 46, 56) kontinuierlich verändert.
Kühlkörper (2) nach einem der vorstehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine zweite Grundplatte (8) mit einer Bauelementfläche (81), auf der das mindestens eine zu kühlende Bauelement (1) befestigbar ist, und einer umseitigen Kühlkörperfläche (82) mit Längsnuten (83) zur Aufnahme von jeweiligen zweiten Enden (42, 52) der Kühlrippen (4, 5).
Kühlkörper (100) für mindestens ein zu kühlendes Bauelement (1), insbesondere ein Halbleiterbauelement, aufweisend mehrere nebeneinander angeordnete, Kühlluftkanäle (140) bildende Kühlrippen (110, 130), die mit jeweiligen ersten Enden (41, 51) eine Grundplatte bilden, wobei zumindest einige der Kühlrippen (110, 130) ein gegenüber einem die Kühlluftkanäle (140) bildenden Bereich (112) verdicktes erstes Ende (111) aufweisen, dadurch gekennzeichnet, dass ein Teil der Kühlrippen (110) als Strangpressprofil und die übrigen Kühlrippen (130) als Trennbleche ausgebildet sind, wobei die Strangpressprofile und die Trennbleche (130) miteinander verlötet sind.
Kühlkörper (100) nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass an den als Strangpressprofil ausgebildeten Kühlrippen (110) in Kühlluftströmungsrichtung (x) sich erstreckende Stege (113, 114) im die Kühlluftkanäle (140) bildenden Bereich (112) angeformt sind, die an jeweiligen Seitenflächen der als Trennbleche ausgebildeten Kühlrippen (130) anliegen.
Kühlkörper (100) nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Stege (113, 114) beidseits des die Kühlluftkanäle (140) bildenden Bereiches (112) angeformt sind.
Kühlkörper (100) nach Anspruch 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Stege (113, 114) senkrecht zur Kühlluftströmungsrichtung (x) in einem Abstand (a) parallel zueinander an jedem der als Strangpressprofil ausgebildeten Kühlrippen (110) in den Kühlluftkanäle (140) bildenden Bereichen (112) angeformt sind.
Kühlkörper (100) nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Stege (113, 114) um einen halben Abstand (a) zueinander versetzt wechselseitig an den als Strangpressprofil ausgebildeten Kühlrippen (110) angeformt sind.
Kühlkörper (100) nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Länge (l₁₁₃, l₁₁₄) der Stege (113, 114) senkrecht zur Kühlluftströmungsrichtung (x) größer ist als die Hälfte der Differenz der Dicke (d₁₁₁) des verdickten Endes (111) der als Strangpressprofil ausgebildeten Kühlrippen (110) und der Dicke (d₁₁₂) des Kühlluftkanäle (140) bildenden Bereiches (112) der als Strangpressprofil ausgebildeten Kühlrippen (110).
Kühlkörper (100) nach einem der Ansprüche 14 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass die die Kühlluftkanäle (140) bildenden Bereiche der als Trennbleche ausgebildeten Kühlrippen (130) im Kühllufteintrittsbereich des Kühlkörpers (100) zumindest teilweise weggeschnitten sind.
Kühlkörper (100) nach einem der Ansprüche 14 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest einige der Kühlrippen (110, 130) ein gegenüber dem die Kühlluftkanäle (140) bildenden Bereich (112) verdicktes zweites Ende (115) aufweisen.